共模電感的作用

共模電感的主要作用是過濾和衰減共模電磁干擾(EMI)信號，提高信號質(zhì)量，抑制高速信號線產(chǎn)生的電磁輻射，保護電路免受干擾，并解決信號完整性問題。

共模電感通過在電路中產(chǎn)生高阻抗來對抗共模噪聲，它由兩個線圈組成，這兩個線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位相同，但繞制方向相反。當正常電流流經(jīng)共模電感時，會在線圈中產(chǎn)生反向磁場相互抵消，而共模電流由于同向性會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向磁場，增大線圈的感抗，表現(xiàn)為高阻抗，從而有效衰減共模電流。

共模電感廣泛應用于電腦的開關(guān)電源、通信系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，以及電感器、變壓器等設(shè)備中。共模電感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，常用于電腦的開關(guān)電源中過濾共模的電磁干擾信號。在板卡設(shè)計中，共模電感也是起EMI濾波的作用，用于抑制高速信號線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。

計算機內(nèi)部的主板上混合了各種高頻電路、數(shù)字電路和模擬電路，它們工作時會產(chǎn)生大量高頻電磁波互相干擾，這就是EMI。EMI還會通過主板布線或外接線纜向外發(fā)射，造成電磁輻射污染，影響其他的電子設(shè)備正常工作。PC板卡上的芯片在工作過程中既是一個電磁干擾對象，也是一個電磁干擾源。

總的來說，我們可以把這些電磁干擾分成兩類：串模干擾(差模干擾)與共模干擾(接地干擾)。以主板上的兩條PCB走線(連接主板各元件的導線)為例，所謂串模干擾，指的是兩條走線之間的干擾;而共模干擾則是兩條走線和PCB地線之間的電位差引起的干擾。串模干擾電流作用于兩條信號線間，其傳導方向與波形和信號電流一致;共模干擾電流作用在信號線路和地線之間，干擾電流在兩條信號線上各流過二分之一且同向，并以地線為公共回路。如果板卡產(chǎn)生的共模電流不經(jīng)過衰減過濾(尤其是像USB和IEEE 1394接口這種高速接口走線上的共模電流)，那么共模干擾電流就很容易通過接口數(shù)據(jù)線產(chǎn)生電磁輻射——在線纜中因共模電流而產(chǎn)生的共模輻射。

美國FCC、國際無線電干擾特別委員會的CISPR22以及我國的GB9254等標準規(guī)范等都對信息技術(shù)設(shè)備通信端口的共模傳導干擾和輻射發(fā)射有相關(guān)的限制要求。為了消除信號線上輸入的干擾信號及感應的各種干擾，我們必須合理安排濾波電路來過濾共模和串模的干擾，共模電感就是濾波電路中的一個組成部分。共模電感實質(zhì)上是一個雙向濾波器：一方面要濾除信號線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作 [1]。

共模電感是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個四端器件，要對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。原理是流過共模電流時磁環(huán)中的磁通相互疊加，從而具有相當大的電感量，對共模電流起到抑制作用，而當兩線圈流過差模電流時，磁環(huán)中的磁通相互抵消，幾乎沒有電感量，所以差模電流可以無衰減地通過。因此共模電感在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號，而對線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘枱o影響。

共模電感在制作時應滿足以下要求：

1)繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣，以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。

2)當線圈流過瞬時大電流時，磁芯不要出現(xiàn)飽和。

3)線圈中的磁芯應與線圈絕緣，以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。

4)線圈應盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強線圈對瞬時過電壓的而授能力。

通常情況下，同時注意選擇所需濾波的頻段，共模阻抗越大越好，因此我們在選擇共模電感時需要看器件資料，主要根據(jù)阻抗頻率曲線選擇。另外選擇時注意考慮差模阻抗對信號的影響，主要關(guān)注差模阻抗，特別注意高速端口。

隨著電子設(shè)備、計算機與家用電器的大量涌現(xiàn)和廣泛普及，電網(wǎng)噪聲干擾日益嚴重并形成一種公害。特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時間短、電壓振幅度高(幾百伏至幾千伏)、隨機性強，對微機和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴重干擾，常使人防不勝防，這已引起國內(nèi)外電子界的高度重視。

電磁干擾濾波器(EMI Filter)是近年來被推廣應用的一種新型組合器件。它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性，可廣泛用于電子測量儀器、計算機機房設(shè)備、開關(guān)電源、測控系統(tǒng)等領(lǐng)域。

共模電感工作原理

共模電感的兩根線是同向穿過磁環(huán)，差模信號通過磁環(huán)產(chǎn)生的磁通方向相反而相互抵消從而不產(chǎn)生作用，而共模信號通過磁環(huán)產(chǎn)生的磁通方向相同而相互疊加從而發(fā)揮其感性作用。在正常的情況下，共模電感只有對共模信號產(chǎn)生作用。通過分析共模電感的工作原理可知，共模電感對差模信號不產(chǎn)生作用的原因是穿過磁環(huán)的兩條線上的差模信號產(chǎn)生的大小相等方向相反的磁通相互抵消的結(jié)果。

為了能夠讓共模電感對差模信號產(chǎn)生感性作用，可以將穿過磁環(huán)的兩條線圈數(shù)不相等，則它們產(chǎn)生的磁通不能完全相互抵消，這樣共模電感既可以對共模信號產(chǎn)生作用也可以對差模信號產(chǎn)生作用。在此姑且稱其為差共模電感。需要考慮的是共模電感的磁環(huán)是鐵氧體材料，其u 值較高(一般為4000)，抗飽和能力較差。因此在設(shè)計時要求選擇合適的差模電感值，防止電感在額定工作條件下產(chǎn)生飽和而失去其作用。

電磁干擾濾波器的構(gòu)造原理及應用

1.1、構(gòu)造原理

電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導噪聲的頻譜大致為10kHz~30MHz，最高可達150MHz。根據(jù)傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類：一類是從電源進線引入的外界干擾，另一類是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號，電子設(shè)備既是噪聲干擾的對象，又是一個噪聲源。若從形成特點看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。串模干擾是兩條電源線之間(簡稱線對線)的噪聲，共模干擾則是兩條電源線對大地(簡稱線對地)的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應符合電磁兼容性(EMC)的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器應對串模、共模干擾都起到抑制作用。

1.2、基本電路及典型應用

電磁干擾濾波器的基本電路如圖1所示：

該五端器件有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端，使用時外殼應接通大地。電路中包括共模扼流圈(亦稱共模電感)L、濾波電容C1~C4。L對串模干擾不起作用，但當出現(xiàn)共模干擾時，由于兩個線圈的磁通方向相同，經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當有電流通過時，兩個線圈上的磁場就會互相加強。L的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關(guān)，參見表1。

需要指出，當額定電流較大時，共模扼流圈的線徑也要相應增大，以便能承受較大的電流。此外，適當增加電感量，可改善低頻衰減特性。C1和C2采用薄膜電容器，容量范圍大致是0.01Μf~0.47μF，主要用來濾除串模干擾。C3和C4跨接在輸出端，并將電容器的中點接地，能有效地抑制共模干擾。C3和C4亦可并聯(lián)在輸入端，仍選用陶瓷電容，容量范圍是2200Pf~0.1μF。為減小漏電流，電容量不得超過0.1μF，并且電容器中點應與大地接通。C1~C4的耐壓值均為630VDC或250VAC。圖2示出一種兩級復合式EMI濾波器的內(nèi)部電路，由于采用兩級(亦稱兩節(jié))濾波，因此濾除噪聲的效果更佳。針對某些用戶現(xiàn)場存在重復頻率為幾千赫茲的快速瞬態(tài)群脈沖干擾的問題，國內(nèi)外還開發(fā)出群脈沖濾波器(亦稱群脈沖對抗器)，能對上述干擾起到抑制作用。

2、EMI濾波器在開關(guān)電源中的應用

為減小體積、降低成本，單片開關(guān)電源一般采用簡易式單級EMI濾波器，典型電路如圖3所示

圖(a)與圖(b)中的電容器C能濾除串模干擾，區(qū)別僅是圖(a)將C接在輸入端， 圖(b)則接到輸出端。圖(c)、(d)所示電路較復雜，抑制干擾的效果更佳。圖(c)中的L、C1和C2用來濾除共模干擾，C3和C4濾除串模干擾。R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性;斷電后還能使電源的進線端L、N不帶電，保證使用的安全性。圖(d)則是把共模干擾濾波電容C3和C4接在輸出端。

EMI濾波器能有效抑制單片開關(guān)電源的電磁干擾。圖4中曲線a為不加EMI濾波器時開關(guān)電源上0.15MHz~30MHz傳導噪聲的波形(即電磁干擾峰值包絡(luò)線)。曲線b是插入如圖3(d)所示EMI濾波器后的波形，能將電磁干擾衰減50dBμV~70dBμV。顯然，這種EMI濾波器的效果更佳。

3、EMI濾波器的技術(shù)參數(shù)及測試方法

3.1、主要技術(shù)參數(shù)

EMI濾波器的主要技術(shù)參數(shù)有：額定電壓、額定電流、漏電流、測試電壓、絕緣電阻、直流電阻、使用溫度范圍、工作溫升Tr、插入損耗AdB、外形尺寸、重量等。上述參數(shù)中最重要的是插入損耗(亦稱插入衰減)，它是評價電磁干擾濾波器性能優(yōu)劣的主要指標。插入損耗(AdB)是頻率的函數(shù)，用dB表示。設(shè)電磁干擾濾波器插入前后傳輸?shù)截撦d上的噪聲功率分別為P1、P2，有公式：

AdB=10lg P1/P2　(1)

假定負載阻抗在插入前后始終保持不變，則P1=V12/Z，P2=V22/Z。式中V1是噪聲源直接加到負載上的電壓，V2是在噪聲源與負載之間插入電磁干擾濾波器后負載上的噪聲電壓，且V2<

AdB=20lg (2)

插入損耗用分貝(dB)表示，分貝值愈大，說明抑制噪聲干擾的能力愈強。鑒于理論計算比較煩瑣且誤差較大，通常是由生產(chǎn)廠家進行實際測量，根據(jù)噪聲頻譜逐點測出所對應的插入損耗，然后繪出典型的插入損耗曲線，提供給用戶。